新一代无线通信系统的多天线信道建模和模型验证

发布时间：2017-04-30 13:05

  本文关键词：新一代无线通信系统的多天线信道建模和模型验证，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在第四代移动通信系统(4G)走向商用之际,移动通信业务量的持续增长和业务多样性推动着新一代无线通信系统技术的研究。三维多输入多输出(3 Dimensional MIMO,3D MIMO)技术在传统多天线技术的基础上将天线阵列从水平空间扩展到三维空间,增加了信道在垂直维度的自由度。该技术可以进一步提升无线通信系统的频谱效率,并被视为新一代通信系统(5G)的关键技术之一。无线新技术的研究与评估离不开对无线信道传播特性的认知与建模。由于4G之前的信道模型局限于水平空间而不支持3D MIMO技术的研究和评估,因此迫切需要关于3DMIMO信道的测量与建模的研究。论文的主要研究工作和创新性总结如下：1.3D MIMO信道测量与数据处理。利用信道测量平台(sounder)搭建了宽带3D MIMO信道测量系统,测量系统的中心频率为3.5GHz而频带带宽为100MHz,选用具有32阵元的平面阵列作为发射天线,具有56阵元的全向天线阵列作为接收天线。之后分别在城市宏蜂窝、城市微蜂窝和室外到室内等典型场景下进行3D信道响应的数据采集,测量方式分为定点测量和移动路线测量并包含的视距与非视距两种传播条件。之后从采集数据中获得信道冲击响应(Channel Impulse Response, CIR),并利用空间交替广义期望最大化算法(Space Alternating Generalized Expectation Maximization, SAGE)从CIR中提取出传播时延、多普勒频偏、水平到达角、水平离开角、俯仰到达角、俯仰离开角以及极化复增益等信道参数。2.3D MIMO信道俯仰参数统计特性分析。基于所估计出的俯仰角度参数,利用随机过程理论全面地分析了各场景下俯仰角度的统计特性。相比于利用Gaussian拟合俯仰角度分布,发现Laplace分布函数可以更加精确的拟合各典型场景下收发两端的俯仰功率角度谱。同时研究了非视距情况下俯仰功率角度谱角度均值统计特征,研究结果表明接收端俯仰角度均值集中于水平面附近而发射端俯仰角度均值基于水平面与俯仰视距方向之间。另外在视距情况下收发两端俯仰功率角度谱的功率最大值所在方向近似于两端俯仰视距方向。分析结果还表明各场景下收发两端的俯仰角度扩展可以由Lognormal分布函数进行拟合,并且城市微蜂窝场景具有最大的俯仰角度扩展,特别是在非视距情况下发射端和接收端的俯仰角度扩展分别达到了13.18°和19.05°。3.3D MIMO信道的建模。根据俯仰角度参数统计特性的分析,提出了一种新的俯仰角度建模方法。分别以收发两端的俯仰功率角度谱的功率最大值所在方向和俯仰功率角度谱的角度均值作为视距条件与非视距条件的建模对象,通过对抽取的离散俯仰角度样本进行平移,获得传播径的实际俯仰角度。在对3D天线阵列建模方法的研究中,阐述了包括线性天线阵列、平面天线阵列以及圆柱状天线阵列在内的天线阵列建模。最后在保留传统信道参数建模的基础上引入俯仰维度参数,结合建议的俯仰角度建模方法和3D天线阵列建模方法,完成了3D MIMO信道建模。4.3D MIMO信道模型的验证与评估。以实际信道测量数据为参考,从俯仰角度参数统计特性、信道响应矩阵奇异值分布和MIMO信道容量三个方面验证了本论文提出的3D MIMO信道模型。验证结果表明该3D MIMO信道模型所生成的信道参数和信道响应在上述三个指标上可以很好的吻合基于测量的结果。在验证3D MIMO信道模型时,还对比分析了3D MIMO信道模型和传统二维多输入多输出(2 Dimensional MIMO,2D MIMO)信道模型在奇异值分布和信道容量上的差异。分析结果表明相比于3D信道模型,缺少俯仰维度参数的2D MIMO信道模型会提高MIMO信道的空间相关性,导致在各场景下2D信道模型的奇异值分布要相对分散而且低估实际信道容量。此外该估计误差的大小与场景有关,其中微蜂窝场景的容量误差最大,在视距和非视距情况下均超过40%,而宏蜂窝场景下的的容量误差最小且维持在10%。5.3D MIMO信道空间相关性的研究。基于实际信道测量,从均方根误差、发射端信道矩阵的奇异值分布和多用户合速率等方面对Kronecker积相关性模型进行验证。验证结果表明Kronecker积空间相关性模型为了保证空间相关性矩阵可分解,在局部改变了信道空间相关系数,导致了信道复用能力的降低。在多用户MIMO系统使用Kronecker积空间相关性模型会低估系统合速率,且估计误差会随着用户数的增加而变大。当用户数量从4增长到16时,估计误差则由4%变为8.3%。随后利用已验证的3D MIMO信道模型推导出信道相关性的解析表达式,研究了俯仰角度参数和天线阵列配置对信道空间相关性的影响。研究结果表明由于水平维度具有较大的角度扩展,使得水平天线阵列比俯仰天线阵列具有更低的空间相关性。因此对于3D天线阵列,在充分利用水平空间配置天线阵元的基础上,应当尽可能增加俯仰维度的阵元间距(2-4倍水平间距)换取信道复用能力的提升。综上所述,本论文面向5G系统,基于信道测量数据对俯仰维度参数进行了统计分析。测量分析结果随后被用来进行3D MIMO信道的建模,并从奇异值分布和信道容量等方面对3D MIMO信道模型进行验证。最后对信道空间相关性进行了研究,评估了Kronecker积相关性模型,并利用3D MIMO信道模型分析了信道俯仰维度参数和天线配置对信道空间相关性的影响。
【关键词】：信道测量与建模 3D MIMO 信道模型验证 信道容量 信道空间相关性
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 绪论15-31
• 1.1 未来无线通信系统的发展15-16
• 1.2 无线信道测量与建模的重要性16-20
• 1.3 3D MIMO信道建模的研究意义与现状20-21
• 1.4 论文主要内容及创新性21-23
• 1.5 论文组织结构23-24
• 参考文献24-31
• 第二章 3D MIMO信道测量与数据处理31-53
• 2.1 MIMO信道模型架构31-35
• 2.1.1 2D多天线信道模型架构32-34
• 2.1.2 3D多天线信道模型架构34-35
• 2.2 多天线信道测量系统35-43
• 2.2.1 多天线信道测量平台36-38
• 2.2.2 测量天线选择38-41
• 2.2.3 测量系统原理与参数设计41-43
• 2.3 多天线信道测量43-45
• 2.3.1 城市宏蜂窝43-44
• 2.3.2 城市微蜂窝44-45
• 2.3.3 室外到室内45
• 2.4 多天线实测数据处理方法45-50
• 2.4.1 信道冲击响应的计算46-47
• 2.4.2 信道参数提取47-50
• 2.5 总结50
• 参考文献50-53
• 第三章 3D MIMO信道俯仰参数统计特性分析53-73
• 3.1 相关工作综述53-55
• 3.2 测量数据初步分析55-57
• 3.2.1 信道增益在时延域分布情况55-56
• 3.2.2 信道增益在空间域分布情况56-57
• 3.3 俯仰功率角度谱57-59
• 3.3.1 俯仰功率角度谱定义57
• 3.3.2 俯仰功率角度谱分布情况57-59
• 3.4 俯仰角度均值59-65
• 3.4.1 俯仰视距方向定义59
• 3.4.2 俯仰角度均值统计特性分析59-65
• 3.5 俯仰角度扩展值65-67
• 3.5.1 俯仰角度扩展定义65
• 3.5.2 俯仰角度扩展统计特性分析65-67
• 3.6 大尺度参数互相关性67-68
• 3.6.1 大尺度参数互相关性定义67-68
• 3.6.2 大尺度参数互相关性特性分析68
• 3.7 大尺度参数自相关距离68-70
• 3.7.1 大尺度参数自相关距离定义68-69
• 3.7.2 大尺度参数自相关距离特性分析69-70
• 3.8 总结70
• 参考文献70-73
• 第四章 基于实地测量的3D MIMO信道建模研究73-95
• 4.1 相关工作综述73-76
• 4.2 无线信道建模方法研究76-79
• 4.2.1 传统2D MIMO信道建模方法76-78
• 4.2.2 3D MIMO信道建模方法78-79
• 4.3 空域俯仰角度的建模79-83
• 4.3.1 LOS情况下俯仰角度建模方法79-81
• 4.3.2 NLOS情况下俯仰角度建模方法81-83
• 4.4 3D天线阵列建模83-87
• 4.4.1 线性天线阵列83-85
• 4.4.2 平面天线阵列85-86
• 4.4.3 圆柱状天线阵列86-87
• 4.5 3D MIMO信道建模87-92
• 4.5.1 用户参数定义87
• 4.5.2 3D MIMO信道大尺度参数建模87-89
• 4.5.3 3D MIMO信道小尺度参数建模89-91
• 4.5.4 3D MIMO信道响应建模91-92
• 4.6 总结92-93
• 参考文献93-95
• 第五章 3D MIMO信道模型验证95-111
• 5.1 信道模型验证方法95-98
• 5.2 空域角度统计特性验证98
• 5.3 MIMO信道奇异值分析与验证98-103
• 5.3.1 MIMO信道奇异值分布分析方法98-100
• 5.3.2 MIMO信道特征值分布验证100-103
• 5.4 MIMO信道容量分析与验证103-109
• 5.4.1 MIMO信道容量分析方法104-105
• 5.4.2 MIMO信道容量验证105-109
• 5.5 总结109
• 参考文献109-111
• 第六章 3D MIMO信道空间相关性分析111-133
• 6.1 相关工作综述111-113
• 6.2 Kroneker积相关性模型的评估113-119
• 6.2.1 Kroneker积相关性模型113-115
• 6.2.2 均方根误差115-116
• 6.2.3 奇异值116-117
• 6.2.4 MU-MIMO系统合速率117-119
• 6.3 3D MIMO信道空间相关性分析119-130
• 6.3.1 基于3D MIMO信道模型的空间相关性研究119-124
• 6.3.2 天线阵元间距对空间相关特性的影响124-127
• 6.3.3 角度特征对空间相关特性的影响127-130
• 6.4 总结130
• 参考文献130-133
• 第七章 总结与展望133-137
• 7.1 论文总结133-135
• 7.2 未来研究展望135-137
• 附录A 公式6-15的证明137-139
• 附录B 缩略语表139-143
• 致谢143-145
• 攻读学位期间发表的学术论文目录145-146

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 木头;;FaceSwapper让换脸不必再苛求角度[J];电脑迷;2009年16期

2 王颖鑫;;专业新水准 AOC 2217Pwc[J];数码世界(B版);2008年01期

3 ;密技大放送[J];电脑;2000年09期

4 ;[J];;年期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 潘淳;新一代无线通信系统的多天线信道建模和模型验证[D];北京邮电大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 刘广通;半实物火炮自动操瞄俯仰角度控制系统的研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

  本文关键词：新一代无线通信系统的多天线信道建模和模型验证，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：336883